可持續(xù)開發(fā)利用的PCB實踐課程設(shè)計

杜會靜，孫彥龍，郭得峰

(燕山大學(xué) a.理學(xué)院；b.電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

可持續(xù)開發(fā)利用的PCB實踐課程設(shè)計

杜會靜a，孫彥龍b，郭得峰a

(燕山大學(xué) a.理學(xué)院；b.電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

以燕山大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的PCB課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為例，介紹了近年來該專業(yè)通過以單片機(jī)最小系統(tǒng)為載體的PCB電路板設(shè)計，將學(xué)生自主設(shè)計開發(fā)出的電路板帶入下一級實踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮和擴(kuò)展每一級實物設(shè)計的功能，實現(xiàn)了PCB設(shè)計電路板的可持續(xù)開發(fā)利用，提高了實踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的綜合利用效率，使學(xué)生的實踐活動由被動的模仿式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膭?chuàng)新性實踐。

印刷線路板； 單片機(jī)； 實踐教學(xué)； 電子綜合實訓(xùn)

0 引 言

印刷線路板(Printed Circuit Board，PCB)是電子元器件的支撐體和電氣連接的載體。電子產(chǎn)品的焊接是電子產(chǎn)品制作過程中重要的一環(huán)，一名合格的電子工程師如果想開發(fā)出一款工藝簡單，器件封裝合適的產(chǎn)品，必須要了解焊接的全過程，尤其是現(xiàn)代貼片焊接技術(shù)的全過程。因此很多高校將PCB電路設(shè)計設(shè)為電子類相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)技能課[1-4]。

傳統(tǒng)的PCB課程設(shè)計存在2個主要問題：①該環(huán)節(jié)往往先以軟件學(xué)習(xí)進(jìn)行電路的EDA設(shè)計開始[5]，由于學(xué)生與實際電路接觸不多，學(xué)生很難將抽象的電路符號與實際的電子元器件聯(lián)系在一起，影響了PCB設(shè)計的預(yù)期效果；②PCB設(shè)計環(huán)節(jié)開發(fā)的電路板，往往只是為本環(huán)節(jié)服務(wù)，與其他課程設(shè)計之間沒有關(guān)聯(lián)，造成設(shè)計項目完成之時，也是所設(shè)計的實物變成電子垃圾的時候。這些電子垃圾，既浪費(fèi)了寶貴的資源，對環(huán)境也造成一定的影響[6-8]。

如何在最大程度的達(dá)到PCB課程設(shè)計的對學(xué)生創(chuàng)新實踐能力的培養(yǎng)效果，使該階段開發(fā)的電路板實物能夠在今后的其他實踐課程環(huán)節(jié)持續(xù)性的利用，實現(xiàn)資源高效利用，是高等學(xué)校亟待研究解決的問題[9-11]。

本文以我校電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的PCB課程設(shè)計實踐教學(xué)環(huán)節(jié)為例，介紹了近年來該專業(yè)通過可持續(xù)開發(fā)利用的PCB電路板設(shè)計，將學(xué)生自主設(shè)計開發(fā)出的電路板帶入下一級實踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮和擴(kuò)展每一級實物設(shè)計的功能，減少了以實物設(shè)計為載體的實踐教學(xué)成本，實現(xiàn)了實踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的合理支配，使學(xué)生由被動的模仿式學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥膭?chuàng)新性實踐，收到了良好的實踐效果。

1 可持續(xù)開發(fā)利用的PCB實踐課程設(shè)計

電子工程師幾乎離不開PCB相關(guān)技術(shù)，許多大型電子類企業(yè)在人才招聘時也明確要求會熟練使用PCB設(shè)計相關(guān)軟件和技術(shù)。在我校的電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的教學(xué)計劃中，將PCB電路設(shè)計與焊接設(shè)置成了學(xué)生的一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)實踐課，時長為3周。

電子工程師完成PCB電路設(shè)計過程是先利用EDA軟件進(jìn)行電路版的繪制，然后再進(jìn)行焊接和調(diào)試。但是對于沒有接觸過電路板實踐的學(xué)生來說，這個電路板繪制的過程又會猶如理論課程一樣枯燥無味。因此該階段的設(shè)計，先由教師根據(jù)自己多年的經(jīng)驗及教學(xué)心得，按照循序漸進(jìn)式的電路板設(shè)計理念，給出電路板的主體架構(gòu)，然后進(jìn)行電路板各部分功能講解、焊接，然后再進(jìn)行電路板的繪制與仿真。這樣的PCB設(shè)計流程，可以讓學(xué)生在EDA軟件學(xué)習(xí)過程中，將一些抽象畫的電路符號轉(zhuǎn)化為形象的電路模塊，非常方便的幫助學(xué)生理解和掌握。課程設(shè)計過程中，教師及時對各環(huán)節(jié)進(jìn)行總結(jié)和關(guān)鍵提示，以便幫助學(xué)生快捷地掌握相關(guān)知識，緩解學(xué)時緊張的問題。整個設(shè)計過程由淺入深，各內(nèi)容既相互獨立又前后關(guān)聯(lián)，既有詳細(xì)的理論學(xué)習(xí)又有大量的實踐內(nèi)容。該部分內(nèi)容分三個階段完成。

1.1電路板功能分析和電子元器件選擇

一款產(chǎn)品的電路板設(shè)計是從功能分析入手的，只有充分考慮未來的需求功能，才能設(shè)計出一塊性價比高、利用率高、開發(fā)空間大的電路板，這一部分是整個電路板設(shè)計的靈魂。我專業(yè)所設(shè)計的開發(fā)板的設(shè)計充分考慮了成本與功能這兩個矛盾面，再結(jié)合循序漸進(jìn)的實踐體系的設(shè)計要求，綜合考慮STM32高性能、低成本、低功耗的特點，最終設(shè)計出基于STM32單片機(jī)的多功能開發(fā)板(后面以STM32-EVM代替)[12-13]，該板具有4方面特點：①小巧，整個板子尺寸為10 cm×10 cm；②靈活，板上除晶振外的所有的 IO 口全部引出，可以極大的方便學(xué)生在后續(xù)課程設(shè)計以及課外科技活動中擴(kuò)展及使用；③簡單，板載獨特的一鍵下載功能，直接在電腦上一鍵下載；④資源豐富，板載10多種外設(shè)及接口，可以充分挖掘 STM32 的潛質(zhì)。

STM32-EVM主要有STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口下載及通信模塊、外設(shè)模塊及電源模塊構(gòu)成。各模塊的電路圖分別如圖1～4所示。其中STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)單片機(jī)的的正常運(yùn)行，主要包括了STM32單片機(jī)、外部時鐘電路、RTC時鐘電路、復(fù)位電路、I/O排針。

圖1 串口下載及通信模塊電路圖

STM32-EVM選擇的是 STM32F103RCT6 作為 MCU，相對于51單片機(jī)，它擁有豐富的外設(shè)資，源包括： 48KB SRAM、 256KB FLASH、 2個基本定時器、 4個通用定時器、 2個高級定時器、2個DMA 控制器(共12個通道)、 3個SPI、 2個IIC、 5個串口、 1個USB、 1個CAN、 3個12 位 ADC、 1個12 位 DAC、 1個 SDIO 接口及 51個通用 IO 口?？梢怨?jié)省大量采購?fù)庠O(shè)模塊的資金。

串口下載及通信模塊：STM32-EVM板載了USB 轉(zhuǎn)串口芯片CH340，有了這個芯片，就可以實現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口，下載代碼到單片機(jī)，實現(xiàn)與電腦的串口通信等功能。

外設(shè)模塊：STM32-EVM板載了8個LED燈，3個按鍵，直流電機(jī)驅(qū)動模塊，8路紅外檢測模塊。其中電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外檢測模塊和外置的智能小車底盤可以讓學(xué)生完成智能小車的控制、紅外循跡和紅外避障功能，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力。

電源模塊：主要為開發(fā)板電路供電，該部分分為2部分，①為USB供電及電源轉(zhuǎn)換電路，主要是在該開發(fā)板單獨使用的時候使用；②為外置鋰電池供電及電源轉(zhuǎn)換電路，主要是在該開發(fā)板作為控制板，與智能小車底盤共同使用的時候使用。

圖2 電動機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

圖3 8路的紅外檢測模塊電路圖

(a) 外置電池供電電路

(b) USB供電電路

1.2PCB焊接和調(diào)試

該部分主要是完成以下目的：a、實際接觸到PCB板，對電路板有直觀的認(rèn)識；b、了解和掌握常用電子元器件的大小、形狀和封裝；c、了解和掌握電路板焊接的技能，其中包括元器件的貼片焊接和直插孔焊接，尤其對現(xiàn)代工業(yè)最常使用的貼片焊接的流程有清楚的認(rèn)識；d、了解和掌握焊接工具的使用，比如鋼網(wǎng)、回流焊機(jī)、電烙鐵、熱吹風(fēng)等；e、掌握電路板的測試過程和操作。學(xué)生根據(jù)圖5所示流程進(jìn)行PCB設(shè)計和焊接操作。

圖5 PCB焊接和調(diào)試流程圖

1.3PCB板的繪制

經(jīng)過PCB功能分析與焊接之后，學(xué)生對電路板設(shè)計有了初步的了解。接下來是EDA設(shè)計軟件Altium Designer15的學(xué)習(xí)。該軟件是主流的EDA設(shè)計軟件，可實現(xiàn)PCB設(shè)計與繪制。此過程，教師負(fù)責(zé)進(jìn)行繪制方法演示、指導(dǎo)、規(guī)則檢查以及驗收。通過此過程，學(xué)生可以通過原理圖繪制和封裝設(shè)置，電氣法則測試、導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表、設(shè)計繪制PCB圖，掌握 PCB工程及完整的電路圖建立的過程。圖6是學(xué)生自主焊接和繪制的PCB電路板圖。

1.4電路板的調(diào)試——單片機(jī)程序設(shè)計與開發(fā)基礎(chǔ)入門階段

該階段為了提升學(xué)生的成就感，必須讓學(xué)生自己焊接出的電路板工作起來，因此在完成電路板的設(shè)計后，結(jié)合單片機(jī)程序設(shè)計，完成電路板功能的進(jìn)一步開發(fā)，引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，快速上手STM32。從 STM32 固件庫、新建工程、編譯和下載程序出發(fā)，學(xué)習(xí)STM32單片機(jī)的基礎(chǔ)功能和常用外設(shè)。通過流水燈和按鍵實驗掌握STM32的GPIO的原理和控制方法；通過中斷實驗，掌握EXTI外部中斷輸入方法；通過串口通信實驗掌握單片機(jī)和電腦的信息交互的方法。

2 PCB實踐課程設(shè)計產(chǎn)品的可持續(xù)開發(fā)利用

PCB實踐課程設(shè)計的電路板功能的進(jìn)一步開發(fā)和價值提升，可在后續(xù)的單片機(jī)程序設(shè)計和電子綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)等課程設(shè)計中逐漸發(fā)揮出來。想要成為一名合格的電子工程師，僅僅能夠進(jìn)行硬件開發(fā)是不夠的，因此在完成電路板的繪制和焊接后，需要使用該電路板進(jìn)一步開發(fā)。

圖6 焊接完成后的電路板及學(xué)生繪制的電路版圖

2.1單片機(jī)程序設(shè)計階段

由于前期PCB設(shè)計的是一個預(yù)留了很多外設(shè)接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)，因此可以在電腦端使用移動的開發(fā)工具進(jìn)行編程，并將程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)中，進(jìn)而完成單片機(jī)程序設(shè)計，實現(xiàn)一定的功能開發(fā)[14-15]。本階段的課程設(shè)計，使用學(xué)生自制的基于STM32單片機(jī)的開發(fā)板，以C語言為基礎(chǔ)，以uVision5 IDE 集成開發(fā)環(huán)境作為開發(fā)工具，以調(diào)用方便用戶開發(fā)的STM32 固件庫橋梁。在本階段，學(xué)生主要完成以下內(nèi)容：

(1) 高級功能擴(kuò)展階段。該階段學(xué)生應(yīng)掌握 STM32 的高級外設(shè)和常用的通信協(xié)議，通過使用 ADC和DAC實驗掌握信號采集和輸出的功能，通過器件DHT11、AT24C02、W25Q64掌握電子設(shè)計中常用單總線協(xié)議、IIC協(xié)議和SPI協(xié)議。

(2) 傳感器模塊學(xué)習(xí)階段。該階段利用自制開發(fā)板板載的10多種外設(shè)及接口，使學(xué)生了解和使用各種傳感器模塊，如紅外感應(yīng)模塊、聲音檢測模塊等十幾款信息采集傳感器，如步進(jìn)電動機(jī)、蜂鳴器模塊、繼電器模塊 等輸出執(zhí)行傳感器，還有一些高級輔助模塊，如無線傳輸模塊NRF24L01，WiFi模塊ESP8266 ，三軸加速度/陀螺儀模塊MPU6050，液晶顯示模塊OLED12864等，為后續(xù)綜合性自主設(shè)計與開發(fā)打下基礎(chǔ)。

(3) 綜合性自主設(shè)計與開發(fā)階段。在學(xué)生掌握了基于STM32的軟件編程和常用傳感器模塊的使用的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過創(chuàng)新設(shè)計大賽充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性精神、團(tuán)隊協(xié)作意識，及電子產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)能力。采用抽簽形式將學(xué)生進(jìn)行分組，每組3人。小組根據(jù)現(xiàn)有的STM32開發(fā)板和傳感器模塊，在4天時間內(nèi)完成：項目及創(chuàng)新點提出；作品原型制作、軟件開發(fā)、聯(lián)合調(diào)試、答辯。最終以比賽形式進(jìn)行項目作品驗收。課設(shè)進(jìn)行過程中，學(xué)生的參與性和主動性得到了充分發(fā)揮，創(chuàng)新實踐能力得到了很大的提高。在該階段涌現(xiàn)了大量的創(chuàng)新性題目，圖7給出了學(xué)生的設(shè)計作品之一：基于超聲波檢測的兒童坐姿矯正儀，學(xué)生所做的十多個作品中，有3個作品被選中參加2016年在我校舉辦的CDIO亞洲區(qū)域會議作品展。

圖7 學(xué)生課設(shè)作品——基于超聲波的兒童坐姿矯正儀

2.2電子設(shè)計綜合實訓(xùn)

經(jīng)過前面PCB焊接與測試、單片機(jī)設(shè)計與應(yīng)用兩個實踐性的訓(xùn)練，學(xué)生已經(jīng)可以進(jìn)行獨立的開發(fā)和設(shè)計。為進(jìn)一步鞏固學(xué)習(xí)成果，繼續(xù)提高學(xué)生的電子設(shè)計能力，在第5學(xué)期，設(shè)計了電子設(shè)計綜合實訓(xùn)環(huán)節(jié)，利用學(xué)生自主設(shè)計的開發(fā)板，進(jìn)行逐步增容，完成一個智能循跡小車的開發(fā)設(shè)計[16-17]，最終設(shè)計完成的智能小車實物如圖8所示。

智能循跡小車作為一種融合自動控制、傳感器檢測、信息處理、計算機(jī)軟硬件設(shè)計等多學(xué)科知識，集機(jī)電與一體的綜合系統(tǒng)，是很好的電子設(shè)計綜合實訓(xùn)項目。該智能小車以學(xué)生自主設(shè)計和焊接的STM32開發(fā)板為控制核心，集成紅外傳感器模塊和超聲波傳感器，利用單片機(jī)的高速運(yùn)算處理能力處理8路紅外傳感器信息，控制單片機(jī)的PWM輸出占空比來調(diào)節(jié)左右直流減速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實現(xiàn)小車智能循跡行走，并通過超聲波傳感器實現(xiàn)躲避障礙物的功能。學(xué)生需要克服小車的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直道加速、S彎、虛線賽道處理、十字路口處理和自動停車等難題，該項目的完成，可以實現(xiàn)電路設(shè)計、程序設(shè)計、檢測控制及信號處理等多方面專業(yè)知識的綜合利用，提升學(xué)生的整體創(chuàng)新實踐能力。

圖8 基于PCB設(shè)計的智能小車實物

2.3課外實踐科技活動

學(xué)生利用PCB課程設(shè)計階段開發(fā)出的電路板，以及在后續(xù)課程設(shè)計中學(xué)到的編程能力、設(shè)備使用和調(diào)試能力，可以在課外實踐活動中自主開發(fā)一些科技作品。3年來以學(xué)生為主體，以課程設(shè)計項目為依托，獲批發(fā)明專利和軟件注冊權(quán)4項，國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃9項，省級以上競賽獎項20余項。以實物設(shè)計為載體的實踐教學(xué)在節(jié)省資金的同時，充分激發(fā)了學(xué)生的投入熱情，收到了很好的實踐效果。

3 結(jié) 語

通過以單片機(jī)最小系統(tǒng)為載體的PCB電路設(shè)計，最大程度地與后續(xù)實踐課程對接，通過單片機(jī)程序設(shè)計與開發(fā)、電子設(shè)計綜合實訓(xùn)、以及課外科技活動等實踐環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮PCB課程設(shè)計的電路板的功能，使其具有可持續(xù)的利用價值，可以變身為多種創(chuàng)新實踐項目。各實踐環(huán)節(jié)既相互獨立又前后關(guān)聯(lián)，既有詳細(xì)的理論又有大量的實踐，充分發(fā)揮了學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生具有獨立的電路設(shè)計、計算機(jī)程序設(shè)計、電子產(chǎn)品設(shè)計能力。該可持續(xù)開發(fā)利用的PCB實踐課程設(shè)計，經(jīng)過4年的實踐教學(xué)檢驗，具有提高實踐教學(xué)經(jīng)費(fèi)的綜合使用效率，和學(xué)生創(chuàng)新能力提高的雙重目的，在高校電子類相關(guān)專業(yè)具有一定的推廣價值。

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The PCB Practical Course Design with Sustainable Exploitation and Utilization

DUHuijinga，SUNYanlongb，GUODefenga

(a． College of Science， b． College of Electrical Engineering; Yanshan University,Qinhuangdao 066004， Hebei,China)

In this paper we take the PCB practical course design of electronic information science and technology major in Yanshan University as an example,and introduce the PCB practical courses based on the single chip minimal system design.By this course design,the circuit board designed by students themselves in this stage can be applied to the next practical segment.This can realize sustainable exploitation and utilization of the designed circuit,and optimize the integrated utilization efficiency for teaching funds and promote the transformation of the student’s practice from the passive imitation to initiative innovation.

printed circuit board(PCB); singlechip; practical teaching; electronic comprehensive training

2016-05-26

河北省高等教育教學(xué)改革研究與實踐項目(2015GJJG029)

杜會靜(1976-)，女，河北保定人,博士，副教授，碩士生導(dǎo)師；電子信息科學(xué)與技術(shù)系系主任，主要從事半導(dǎo)體及其相關(guān)器件研究。主持河北省教學(xué)改革項目一項，發(fā)表論文20余篇。

Tel.：18633594315；E-mail：hjdu@ysu.edu.cn

TN 41；G 642

：B

1006-7167(2017)07-0214-06